落球黏度虚拟实验

观察小球收尾运动,在标线间计时,反演黏度并核对低雷诺数条件。

物理时间 0.000 s;播放5倍速

图 1 轴向落球;球径相对管径按比例绘制,竖向测量距离独立缩放

标线间手动计时

小球经过第一标线开始,在第二标线停止。仿真时钟随暂停冻结;保存的起止时刻与标线间距一同导出。

0.000 s

先开始小球运动,再选择计时起点。

本教学场景采用长筒并忽略端部项;d/D和Re条件不等于端部误差已消除。原液深h缺失,其端部修正无法量化。

数据分析

图 2 释放后前5τ的速度建立;虚线为收尾速度

表 1 虚拟落球计时(0 组)

来源时长 / s黏度 / Pa·s区间速度 / m/s推算 Re操作

反演采用收尾速度近似。若计时从释放瞬间开始,包含加速阶段会使时长略增,得到较高的表观黏度。手动计时还包含操作起止选择,和理想标线时长分别保存。

原报告累计计时

表 2 主报告六次累计读数

序号原字符读数累计时间 / s相邻差 / s

仅使用主报告31.28–189.60 s批次;累计值须代表相同区间累计下落耗时,材料未另附投放空档记录。另两组照片不拼接。直径六次均为0.0995 cm,减正零差0.005 mm后为0.990 mm;相同记录不代表球径真实一致。

模型依据

$$W=1+2.4d/D,\quad v_\infty=\frac{(\rho_s-\rho_l)gd^2}{18\eta W},\quad\tau=\frac{\rho_s d^2}{18\eta W}.$$
$$v(t)=v_\infty(1-e^{-t/\tau}),\quad x(t)=v_\infty[t-\tau(1-e^{-t/\tau})],\quad\eta_{\mathrm{app}}=\frac{(\rho_s-\rho_l)gd^2\Delta t}{18sW}.$$

均匀球体、牛顿液体、轴向低Re运动;Stokes拖曳乘一阶管壁因子。忽略端壁、附加质量、历史力、温度梯度与非牛顿效应。模型参数和独立刚性ODE验证见模型证据。

参考文献

代伟等,《用落球法测液体黏度的实验条件分析》,大学物理2014,33(7):20–23,p20式1及p22式5支持有限壁面与低Re动力学。DOI 10.16854/j.cnki.1000-0712.2014.07.006。